时空属性及其测量 - 李泽健—计算机创新学 - 国科社区-国家科技成果网 - Powere...

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2024/04/30 13:25:45

摘要:物质是空间存在的表现形式,空间是通过物质的存在表现出来的。时间不是物质,它是物质运动的表现形式,物质运动的不可逆性决定了时间的一维性,时光不能倒流,也不能穿越时空。

球内的空间去哪儿了?

    我们先来做个思想试验。有一个理想的空心球,半径为10m,当球完全收缩为一个实心球时其半径为1m。以球心为原点建立直角坐标系,在一个坐标轴上距原点6m处取一点A点。

    有四个假设条件:1、球内、球外都是绝对的真空,不存在任何物质。2、球体本身绝对致密,没有任何缝隙,即使真空都不能透过球体。3、球体可以任意收缩膨胀,球体本身之间不存在力的作用。4、球心坐标绝对静止,在空间中没有相对移动,球体相对于球心收缩或者膨胀。

    我们的问题是:

    1、  空心球能够收缩为实心球吗?我们知道,如果真空中没有任何物质的话,那么球的内部应该不会对球有任何作用力,球应该能够收缩为实心球。

    2、  如果空心球收缩为实心球,那它内部的空间去哪儿了?因为真空不能透过球体,球内的空间是被压缩了吗?

    3、  坐标轴上的A点原来在球内,当球收缩后,A点就在球外了。因为内部空间被压缩,所以它不应该是原来球内的A点。那么它是外部空间补充过来的吗?如果是这样的话,那我们就能得出一个结论:没有物质的空间可以被无限压缩,也可以无限膨胀。如果没有物质,那空间到底是收缩还是膨胀呢?空间会坍塌吗?

    4、  如果A点不是外部空间补充的,那么它应该是原来球内的A点,它从球内逃逸出来了。如果是这样的话,我们可以得出这样一个结论:那就是空间是静止不动的,A点不随着球的收缩而移动,移动的只是物体本身,物体本身相对于空间移动。

空间的绝对性

    时间、空间是人们讨论了上千年也没有讨论清楚的话题,因为关系太复杂,谁也说不清,现在让我们把问题简单化一下,看看将会发生什么,看看会有一个什么样的结果。

    让我们回到宇宙的最简单状态:假设宇宙中除了一个质点以外不存在其它任何物质。我们知道,质点是一个具有质量而没有大小和形状的理想物体。那么,对这个质点来讲,没有其它物质作为参考,它无法判断自己的位置,所以它没有空间概念;没有其它物质作参考,它不能判断自己是运动的还是静止的,所以它也没有时间。

    这里有个问题,没有时间质点可以存在,没有空间质点能存在吗?没有空间质点放在哪里?所以空间是质点存在的前提,只有空间存在才能有质点的位置。对一个质点来讲,没有空间概念是指它没有上下、前后、远近、大小这些空间概念,没有方向、位置的概念,并不是说没有空间,因为它必须有个容身的地方,它的容身之地就是空间,只是一个质点无法判断空间的存在而已,空间必须先于物质而存在,或者空间必须与物质同时存在。

    对这个质点来讲,怎样就有了空间概念呢?那就是再增加一个质点,当有了两个质点后就有了空间概念。我们先不用考虑其它增加质点的办法,而是让这个质点分裂,当一个质点分裂为两个质点时就有了空间概念,那么能否就此说空间是随物质的产生而产生的呢?还不能这样确定,因为即使再没有其它任何物质,两个质点就能够确定一条直线,对这两个质点来说,它们的空间就可以由这条直线无限延伸,而不只是两个质点之间的一条线段,这条直线上两个质点之间的线段之外的空间并不是由质点产生的。这样,只要有两个质点,即使质点不做相对运动也能判断空间存在,也就有了空间概念,空间的存在是绝对的,与物质的运动没有关系。

    由此我们可以做出以下设想:空间不依赖于我们目前所认识的物质而存在,它是一种特殊的物质,我们无法直接感知它。空间是通过物质的存在而表现出来的,物质在空间中存在,是空间存在的表现形式。空间的存在与我们所认识的物质运动没有必然关系。空间是连续的、均匀的。

时间的相对性

    我们还是回到宇宙最简单的状态,假设宇宙中只有一个质点存在。这个时候,宇宙是没有时间的,因为只有一个质点根本无法判断时间的存在。

    那么,怎样就有时间了呢?当质点开始分裂,开始发生变化时就有了时间,质点停止分裂,时间也就停止了,因为质点不发生变化你还是不能判断有时间存在,时间随着质点的变化而产生,随着质点变化的停止而终止。当宇宙中有了两个质点,能够判断时间存在吗?还是不能。如果两个质点保持静止,时间也就是静止的,不存在时间。只有当两个质点之间开始产生相对运动时,才有了时间,当两个质点的相对运动停止,时间也就停止了。即使宇宙中有无数质点,只要质点保持静止,不做相对运动,也就没有时间存在,因为只要质点不运动就没有这一时刻和那一时刻的概念。时间不随物质的存在而存在,时间只随物质运动的产生而产生,随物质运动的终止而终止。时间是由物质的空间运动产生的,没有运动就没有时间。

     时间是怎样产生的呢?是当质点的空间位置发生远近次序变化时产生的,质点的空间位置变化是有个过程的,这个过程就是我们所说的时间,它是人类用以描述物质运动过程的一个参数。由质点运动的某一具体位置产生了时刻的概念,由质点运动的方向和质点空间位置的远近次序变化产生了时间的先后概念,对不同运动过程的比较产生了时间的长短、快慢概念。时间不是物质,它只是物质运动的表现形式,它是我们对运动的感知。时间不是绝对的,它只能相对运动而言。

    时间是由物质的运动决定的,是时间随着物质的运动而流逝,而不是物质随着时间的流逝而运动。我们必须要搞清楚这个主次关系,现实生活中,正是由于人们搞混了这个关系,所以才在科学上产生了许多解释不清的矛盾。

    宇宙从什么时候开始有了时间?从物质产生相对运动的那一刻起宇宙就有了时间。可能有人会说,物质是运动的,物质从诞生的那一刻起就有了相对运动,那么我们就说从宇宙有了物质的那一刻起就有了时间。

    可能有人会说,空间本身也在运动,时间是绝对的。其实不是这么回事情,一方面,我们目前还无法了解空间的运动,我们所知道的时间概念只能是从我们认识的物质相对运动开始;另一方面,如果空间也在运动,那将是另外一个时间概念,不是我们现在所说的这个时间。那个时间将用空间的运动来描述。

    由于宇宙中所有的物质个体都在做相对运动,而且物质个体的运动都各不相同,所以每一个物质个体都拥有自己的时间,不同的个体拥有自己不同的时间。这也就是人们为什么能够发明出无数种计时方法的原因所在,比如,日晷、沙漏、烧香、点蜡、心跳、脉搏等等。 

时间的绝对性

    既然时间不是绝对的,那么我们为什么会有绝对时间的感觉呢?难道我们的感觉错了吗?为什么牛顿会说“绝对的、真正的和数学的时间自己流逝着,并由于它的本性而均匀地、与任一外界对象无关地流逝着。”?

    这是因为物质运动的绝对性。我们知道,运动是绝对的,绝对不运动的物质是不存在的。我们周围的所有物质都在不断地运动着、变化着,物质的运动变化带给我们的感觉就是时间的流逝,所以我们每时每刻都能感觉到时间在不断地流逝。物质运动的绝对性决定了时间的绝对性,所以从这个意义上来讲,时间是绝对的。宇宙中即使其它所有的物质都停止运动,都保持绝对静止状态,只要有一个物体在运动,那么其它所有物质都对这个物体存在着相对运动,宇宙中就有时间存在,从这个意义上来讲,时间也是绝对的。 

时间的一维性

    时光能倒流吗?从前面的分析我们知道,时间只是物质空间运动的表现形式,它是由物质的空间位置发生远近次序变化时产生的,是由物质在空间中的相对运动决定的。时光倒流的前提必须是运动倒流,也就是物质必须能够按照原来的运动方式原路返回到起始位置。

    我们先来看看宇宙空间中只有A、B两个质点时的情况。假设A质点静止不动,B质点相对运动,当B质点从原来的位置O点移动到C点时,它用了1年的时间,再过一年后,B质点从C点原路返回到O点,那么这个时候,我们将看到时光倒流的情况,因为当B质点回到O点时,我们在两年后观察到的与两年前观察到的情况没有任何区别。

    事实上,宇宙空间中充满了无穷无尽的各种物质,这些物质互相作用互相联系,永不停息地运动着。要让时光倒流,就必须要让所有的物质都回到原来的空间位置,什么力量能使宇宙中的物质都回到原来的空间位置呢?显然是没有的,所以时光倒流的现象根本不可能发生。

    宇宙空间中的所有物质都在永不停息地运动着,这些运动绝不可能恢复到原来的空间位置,也不可能重复原来的运动轨迹,它们永远不会做同一空间上的重复运动,宇宙中的物质运动是不可逆的,所以时间永远不会停止,也永远不能重复,这就是时间的一维性。时间的一维性是由物质空间运动的不可逆性决定的。它只有从过去、现在到将来的一个方向,一去不复返

    能穿越时空吗?由于运动的不可逆性,时间也是不可逆的,所以也就不存在穿越时空的可能性。如果要穿越时空,那将是另外一个物质世界的时空,而不是我们所说的这个物质世界的时空。

怎样感知时空呢?

    前面所说的只要有两个质点就有空间概念只是一种哲学说法,对我们人类来讲,仅有两个质点我们还是不能感知空间的存在,这是由我们的感觉所决定的,存在与我们的感觉还是两码事,存在的并不意味着我们都能够感知。

    我们必须通过物质的运动来感知时空。一方面是由于物质是运动的,空间是通过物质表现出来的,时间是由物质的运动产生的;另一方面是因为必须要有运动的物质给我们的感觉器官传递时空信息。

    要想感知空间,没有物质运动,即使在我们眼前1米处有个天大的东西存在,我们也不能够知道。只有通过物质的运动,我们才能感知它,也就是它必须要向我们发过来信息,只有我们接收到它的信息才能感知它的存在。我们知道,信息必须依附物质而存在,我们接收到的信息其实就是运动的物质。

    我们对时间的感知也是通过物质的运动来实现的。一方面,时间是物质的空间位置变化的表现形式,它是通过物质的运动过程表现出来的,我们所谓的感知时间其实只是感知物质的相对运动而已;另一方面,物质存在运动过程,并不意味着我们能够感知过程,只有物质运动到不同的空间位置时给我们发来信息,我们才能感知时间,没有信息我们是不能知道时间的。我们只有在接受到了信号之后,通过信号的对比,根据信号发生的变化感知运动,进而感知时间,如果信号没有变化,我们也无法判断时间的变化。

    我们要感知时空必须要有信号,也就是必须要有信号在被感知的物质与我们之间传递。这种信号是什么样的信号呢?当然了,只要是信号就行,可以是声音也可以是电磁波,还可以是物质与我们身体的接触,可以是气味,也可以是温度,只要能让我们的感觉器官感受到就行。 

怎样测量时空呢?

    所谓的测量实际上是与一个标准量(即所谓“基准”)进行比较的过程,就是要将被测的量与作为标准或单位的量,在数值上进行比较,从而得到被测量值。这也就是说,如果我们要对时空进行测量,前提是我们必须要先建立一个量度时空的标准单位。国际上规定的时间和空间的基本单位是“秒”和“米”。秒:铯—133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间为1 s。米:米是光在真空中于1/299,792,458 s时间间隔内所经路径的长度。

    从上面的描述中我们还能看出,时间的基本单位“秒”就是通过铯—133原子的运动而定义上出来的。因为时间是由物质的相对运动决定的,“秒”是时间的基本单位,所以它只有用运动才能定义出来。人们是在不知不觉中用物质的空间运动定义了时间,这是因为尽管人们认为时间是绝对的,但由于在宇宙中找不到独立存在的时间,所以只能用运动来定义时间。可能有人会说,空间是通过时间定义出来的,其实这只是对“米”定义的误解,因为“秒”本身就是通过物质的运动定义出来的,所以空间的定义最终也是与物质的运动进行的比较,也就是与物质在空间中的运动进行的比较。

    要测量时空,只有标准还不行,我们还必须得从所测量的时空获得信号。前面已经说了,这些信号可以是声音也可以是电磁波,还可以是物质与我们身体的接触,可以是气味,也可以是温度,等等。随着生产实践的要求,我们需要对时空有更精确的认识,需要对它们进行量的描述,这个时候,就不是所有的信号都那么好使了,因为还存在灵敏度、使用是否方便等等问题。我们目前主要是采用“光”作为介质来传递时空信息,光也是我们人类感知外部世界的主要媒介。通过分析处理光传过来的信息,再与基本单位比较,我们就能对时空进行测量了。

    其实,我们平时所说的时空并不是真正意义上的时空,它只是我们观察到的或者说是测量到的时空。它不是被观察对象的空间位置之间的直接比较,而是通过观察者对时空对象发出来的信号进行的比较,是通过第三者进行的比较,是第三者眼中的同时。这种比较结果,不仅与时空对象有关,也与观察者的运动状态、传输信号的物质有关,测量结果与实际真值之间会存在着一定的误差。严格地讲,我们所观察到的一切现象都不是“现在”而是“过去”,因为信号从观察对象到观察者之间的传输是需要时间的。

    我们要注意,在我们测量时空的过程中,“光”只是起到传递信息的作用,它只是传递时空信息的载体,而不是时空本身。它是测量时空的工具,与所有的测量工具一样它在测量过程中也存在着误差。

时间是均匀的吗?

    从前面的分析我们知道,时间只是物质空间运动的表现形式。明白了这一点这个问题就不难回答了,有均匀运动的物质吗?我们能够在日常的生活中观察到均匀的运动吗?地球自转是均匀的吗?一天的长短是均匀的吗?人们的衰老是均匀的吗?绝对的均匀运动在宇宙中可能是不存在的。我们用来定义“秒”的铯—133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期是均匀的吗?如果它是均匀的那么时间就是均匀的。

    我们日常所说的时间只是人们规定的一种计时标准,只是用来统一人们的活动的,从这个意义上来讲我们可以认为 时间是均匀流逝的。

平时所讲的时间是什么?

    前面我们讲了,物质个体都有自己的时间,不同的物质个体拥有不同的时间,所以这些个体都可以用来计时。这就带来一个很大问题,使用不同计时方法的人们使用的是不同的时间,这必然会给我们的生产生活带来很大的不便。

    为了解决这个问题,人们制定了一个统一的时间标准,这就是我们平时所讲的时间。它采用钟表这种工具来计时,这个标准时间是通过与一种物质的运动进行比较之后确定出来的,例如月球绕地球周期,地球绕太阳周期,地球自转周期,原子震荡周期等。目前,国际上是通过铯—133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期来确定时间基本单位的。

    有了时间标准,人们就开始根据时间标准来量度其他任何物质的运动过程,这其实是一个由认识到实践的过程。这也正是因为有了计时工具,有了时间标准,所以才让许多人把问题搞混了,还以为物质是随时间的流逝而变化的,还以为时间本来就存在,是绝对的。

有没有同时性?

    要回答这个问题,关键是要看以哪个时间为标准来进行比较,只要有了标准,以标准时间为基准,那么就有了同时性。如果没有标准,那么物质的不同个体都有自己的时间,就不存在同时性。所以,同时性的前提是必须要先确定一个时间作为基准,其它时间与这个基准时间进行比较。

    前边我们已经讨论过,时间是物质运动的表现形式,不同物质个体的运动各不相同,不同的个体都拥有自己不同的时间,所以用来作为基准的时间只能采用一个物质个体来计时,采用两个个体计时那就是两个基准,用两个基准测得的结果必然不是一个时刻的同时性,而只能是两个时刻的两个同时性。只有在允许存在误差的情况下,才可以采用多个个体来计时,比如,我们可以先对钟,把几个钟都调为同一时间,这样几个钟就都可以用作基准时间了。

    有了基准时间也就有了同时性。从前面的分析中我们已经知道,时间是由于物质的空间位置的远近次序发生变化而产生的,所以,所谓的同时性其实也就是指:当基准物质运动到某一位置时,其它物质相对于基准物质的空间位置。至少到目前为止,我们还没有发现物质同时存在于两个空间的证据,也就是不存在同一时刻物质即在这儿又在那儿的情况。同一物质同时存在于两个时空,只有在一种情况下可以发生,那就是我们目前还不认识的空间也是一个时空,这个时候,物质不只是存在于我们眼前的物质世界,同时也会存在于那个我们不认识的空间世界。在目前我们所认识的这个物质世界,同一时刻物质的空间位置是唯一的,所以同时性也是唯一的、绝对的,不存在两个同时性的问题。同时性只与相互比较的物质的空间位置有关系,与观察者的位置及运动状态无关系。

    同时性问题其实是一个系统问题,要根据我们研究对象的范围来确定。当我们的研究对象是两个物体时,那么同时性就是这两个物体的同时性;当我们的研究对象是宇宙中所有的物质时,那么同时性就是指宇宙中的所有物质。

    宇宙有同时性吗?有,只要我们确定了时间基准,那么宇宙就有同时性。这是因为当基准物质运动到某一位置时,宇宙中所有的其它物质相对于它的空间位置都是唯一的。

    理论上讲,宇宙存在着同时性,但实际上我们是测不到的,除非测量信号具有无限大的速度。

    假如有一种力量能让宇宙中所有的物质在一瞬间停止运动,让宇宙凝固,那么这一时刻就是同时了,这个时候在宇宙中所观察到的每一点都是同一个时刻发生的。当然了,这种情况只能存在于我们的想象当中。

    我们平时所讲的同时,其实并不是真正意义上的同时,它只是我们测量到的或者观察到的同时。它不是被观察对象的空间位置之间的直接比较,而是通过观察者对时空对象发出来的信号进行的比较,是通过第三者进行的比较,是第三者眼中的同时。这种比较结果,不仅与时空对象有关,也与观察者的运动状态及传输信号的物质有关,测量结果与实际真值之间会存在着一定的误差。 

不同的参考系中存在同时性吗?

    因为不同的物质个体都拥有自己不同的时间,所以不同的参考系中也都会有自己不同的时间。这是由不同的参考系中物质的运动各不相同决定的。

    那么在不同的参考系中存在同时性吗?在前面我们已经讨论过,宇宙中存在同时性,所以不同的参考系中自然也会存在同时性。不同参考系存在同时性的前提也是必须要先确定一个时间作为基准,而且作为基准的这个时间只能采用一个物质个体来计时,只有在不考虑误差的时候才可以使用多个个体作为基准。同时性只与相互比较的物质的相对空间位置有关系,与观察者的位置及运动状态没有关系。同时性与参考系的选择无关,不管选用什么样的参考系,同时性都是唯一的。

    但是正如前面所分析的,我们平时所讲的同时,其实并不是真正意义上的同时,它只是我们测量到的或者观察到的同时,是测量信号的同时。在这种情况下,不同参考系中的同时性不仅与观察者的位置及运动状态有关同时还与信号的传递速度有关,这个时候,不同的观察者可能会对同时发生的事情得出不同的判断。因为不管使用什么作为测量工具,不管采用什么作为信号传输工具,都会存在一定的误差。但是这种结果只能说明是测量系统存在着误差,不能因此得出有两个同时性的结论。如果我们拿一个放大镜看芝麻,芝麻变得像西瓜那么大,我们不能就由此得出结论:芝麻既是芝麻那么小又是西瓜那么大。

    不同的参考系,观察到的结果不一样,有多少个不同的参考系就有可能得到多少个不同的观察结果。那么究竟哪个参考系的结果才是正确的呢?有一个真值吗?应该是有的,因为对一个物质过程进行观察,那这个过程肯定是唯一,决不会因为有无数个参考系,这个过程就变成了无数个过程。(未完,待续)

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